PRÍPADOVÁ ŠTÚDIA

Optimalizácia riadenia čistiarne odpadových vôd

Systém MACS vyvinutý spoločnosťou DP System na základe technológií Siemens umožňuje úsporu energie a poskytuje dodatočnú nosnosť čističiek odpadových vôd. Riešenie implementované v Słupsku a Iławie umožňuje obsluhovať väčší počet obyvateľov.

Spoločnosť DP System vyvinula nástroj, ktorý kombinuje technologické a softvérové riešenia. Cieľom systému MACS (Model-based Advanced Control System) je maximalizovať technologickú efektívnosť čističiek odpadových vôd a znížiť spotrebu energie. Systém môže fungovať takmer v každej čistiarni vybavenej automatizačnými systémami. Riešenie už bolo implementované okrem iného v čistiarňach odpadových vôd v Iławie a Słupsku.

Prediktívna kontrola založená na modeli

MACS, vyvinutý od roku 2018, je navrhnutý tak, aby podporoval prevádzku biologických čističiek odpadových vôd založených na integrovaných systémoch odstraňovania organických zlúčenín a živín. Jednotlivé komponenty riešenia optimalizujú výkon technologických procesov. Jednu z kľúčových funkcií vykonáva modul zodpovedný za riadenie biologických reaktorov.„

Na dosiahnutie úrovne čistenia, ktorá spĺňa štandardizované parametre obsahu dusíka a fosforu, je potrebná čistička odpadových vôd. Systém MACS optimalizuje proces čistenia odpadových vôd, čo uľahčuje splnenie požiadaviek na vypúšťanie životného prostredia. Použité algoritmy zabezpečujú dosiahnutie týchto cieľov s minimálnou spotrebou energie. Systém tiež podporuje efektívne riadenie biomasy optimalizáciou vonkajšej recirkulácie a zabraňuje prenosu aktívneho kalu do upravenej odpadovej vody.
hovorí Robert Wlaźlak, riaditeľ oddelenia priemyselnej automatizácie spoločnosti DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

Systém MACS umožňuje maximalizáciu technologickej efektívnosti v čistiarňach odpadových vôd a zároveň znižuje spotrebu energie.

Systém MACS bol implementovaný okrem iného v čistiarni odpadových vôd v Słupsku.

Implementované technológie umožňujú optimalizovať množstvo chemikálií používaných v procesoch spracovania. Riešenie vyvinuté spoločnosťou DP System umožňuje aj úspory energie v biochemických procesoch vykonávaných čistiarňou.„

Biochemické reakcie v čistiarňach odpadových vôd patria medzi najťažšie kontrolovateľné, pretože zahŕňajú živé organizmy. Tieto procesy majú tiež vysoký dopyt po elektrickej energii,“
hovorí Adam Paczesny, obchodný riaditeľ oddelenia priemyselnej automatizácie v DP System.

Algoritmy a matematické modely čistiarne použité v riešení MACS umožňujú prediktívne riadenie prostredia - pôsobiace vopred - pre živé organizmy vykonávajúce procesy spracovania. Výsledkom je zvýšená účinnosť, najmä pokiaľ ide o spotrebu energie. Tento prístup tiež umožňuje optimalizovať využitie existujúcej infraštruktúry čistiarne.

Modernizácia čistiarne odpadových vôd

„Východiskovým bodom modernizačných prác bola potreba splniť emisné normy, ktoré boli spojené so znížením výdavkov na energiu. V dôsledku vykonaných zmien sa účinnosť zlepšila o 25 až 35%. Približne 14% z toho bolo spôsobené zlepšenou kontrolou, zatiaľ čo zvyšná časť bola výsledkom výmeny dúchadla modernými, energeticky účinnejšími jednotkami. Pri normálnej prevádzke závod dosahuje 80% úroveň sebestačnosti, ale niekedy to dokonca dosahuje 100%. To znamená, že sme energeticky nezávislí. Je to priamy výsledok implementácie riešenia DP System,“
hovorí Kazimierz Stachyra, manažér čistiarne odpadových vôd v Słupsku.

Riešenie MACS implementované v Słupsku sa používa na riadenie prevzdušňovania, vnútornej a vonkajšej recirkulácie a na reguláciu činnosti kľúčových pohonov, ako sú dúchadlá a mixéry. Bol tiež implementovaný modul dávkovania koagulancií. Zásadnú úlohu pri zabezpečovaní efektívnej prevádzky riadiaceho systému zohráva komplexné prístrojové vybavenie zariadenia.

„Účinnosť aplikovaného riadenia vyplýva z kombinácie hĺbkových technologických znalostí o procesoch čistiarní, odborných znalostí v oblasti princípov automatizácie a inžinierstva založeného na matematických modeloch a prediktívnom riadení,“
hovorí Kazimierz Stachyra.

Systém MACS sa používa na riadenie prevzdušňovania, vnútornej a vonkajšej recirkulácie a na reguláciu činnosti pohonov, ako sú dúchadlá a mixéry.

MACS bol navrhnutý pomocou technológie Siemens, ktorá kombinuje tradičný PLC radič s priemyselným počítačom.

Riešenie bolo navrhnuté pomocou technológie Siemens, ktorá integruje tradičný PLC radič s priemyselným počítačom. A SIMATIC Box PC, spolu s komunikačnými modulmi, bol použitý na riadenie. Priemyselné počítače Siemens sa vyznačujú vysokým výkonom, širokým rozsahom prevádzkových teplôt a odolnosťou voči vibráciám, pričom zaberajú minimálny priestor v ovládacej skrini. Sú tiež navrhnuté tak, aby spoľahlivo fungovali v drsných podmienkach prostredia.

„Vybrali sme si riešenie Siemens, pretože ide o všestrannú platformu, ktorá kombinuje možnosti programovateľného logického ovládača s vysoko výkonným priemyselným počítačom. Tento výpočtový výkon je nevyhnutný pre integráciu s prostredím MATLAB, ktoré sa používa na implementáciu matematických modelov, reprodukciu biochemických procesov čistiarne a vykonávanie výpočtov na riadenie procesov. Tento prístup nám umožnil ľahko integrovať optimalizačnú vrstvu s riadiacim systémom v rovnakom prostredí,“
vysvetľuje Robert Wlaźlak, riaditeľ oddelenia priemyselnej automatizácie spoločnosti DP System.

Na ovládanie systému sa používa kompaktný priemyselný počítač SIMATIC Box PC spolu s komunikačnými modulmi.

Výhody v oblasti energetickej účinnosti

Významným prínosom implementácie systému MACS je všeobecne chápané zvýšenie bezpečnosti procesov vykonávaných zariadením, ktoré ho využíva.

Modernizácia bola vykonaná takým spôsobom, že nahradenie existujúcej infraštruktúry čistiarne nebolo potrebné. Existujúce meracie zariadenia doplnené ďalšími chýbajúcimi meraniami boli integrované a poskytujú údaje potrebné pre prevádzku systému MACS. Na druhej strane riadiace signály generované riešením DP System sú realizované existujúcou riadiacou infraštruktúrou závodu, ktorá prešla iba menšími modernizáciami. Výsledkom bolo, že napriek relatívne nízkym investíciám sa dosiahli významné finančné a environmentálne prínosy.

„Počas modernizácie čistiarne sme zaviedli dodatočnú, vyššiu riadiacu vrstvu slúžiacu ako podpora pre operátora. Po implementácii systém MACS vyberie a automaticky nastaví optimálne parametre riadenia procesu,“
hovorí Tomasz Žiadjanek, projektový manažér spoločnosti DP System.

Implementácia riešenia trvala približne šesť mesiacov, pričom jeho kalibrácia trvala približne jeden rok, čo umožnilo zohľadniť prevádzkové špecifiká zariadenia v rôznych ročných obdobiach.

Medzi najdôležitejšie výhody patrí úspora energie vyplývajúca zo zníženej spotreby elektrickej energie. Bolo tiež možné zvýšiť stabilitu procesov v biologickej časti. Okrem toho sú zamestnanci podporovaní informáciami zo systému menej zapojení do dohľadu nad procesmi, čo umožňuje efektívnejšie využívanie ich času.

Kazimierz Stachyra, Manažér, čistiareň odpadových vôd v Słupsku

Ďalším prínosom dosiahnutým modernizáciou je všeobecne chápané zvýšenie bezpečnosti procesov vykonávaných zariadením. Implementované riešenie umožňuje dosiahnuť dodatočnú rezervu nosnosti približne 20 000 PE (Populačný ekvivalent). To umožňuje čistiarni prijímať väčší objem odpadových vôd na spracovanie pomocou už existujúceho reaktora.

„Pred modernizáciou bola čistička schopná prijímať odpadové vody od 250 000 obyvateľov, zatiaľ čo v súčasnosti slúži 350 000. Tento výsledok bol dosiahnutý okrem iného vďaka implementácii optimalizačných riešení. Sme spokojní so zapojením systému DP do implementačných prác, ako aj s výkonnosťou systému. Použité riešenia sa ukázali ako účinné v každodennej prevádzke našej čistiarne, ako aj v kritických situáciách, ako sú obdobia silného prítoku odpadových vôd po zrážkach,“
sumarizuje Kazimierz Stachyra z čistiarne v Słupsku.

Modernizácia čistiarne odpadových vôd v Iławie

Ďalším zariadením, kde bolo implementované riešenie MACS, ktoré beží na zariadeniach Siemens, je čistiareň odpadových vôd v Iławe. V tomto prípade bola primárnym dôvodom implementácie potreba znížiť obsah dusíka v čistenej odpadovej vode. DP System vyhral verejnú súťaž a začal práce zahŕňajúce výmenu riadiacich prvkov, tlmičov a pohonných komponentov zodpovedných za riadenie recirkulácie.

Modernizácia zahŕňala vnútornú a vonkajšiu recirkuláciu, kontrolu prevzdušňovania a dávkovanie koagulancií PIX. V rámci dokončených prác bol systém vonkajšej recirkulácie zmenený z riadiaceho algoritmu založeného na objeme prichádzajúcej odpadovej vody na algoritmus založený na hladinách kalu v sekundárnych čističoch. V dôsledku týchto zmien bolo potrebné automatizovať výstupné brány inštalované v sekundárnych čističoch. Modernizácia viedla k zlepšeniu kvality čistenej odpadovej vody. Dosiahli sa aj výrazné výhody z hľadiska úspor energie.

„Spotreba energie do značnej miery závisí od typu odpadovej vody prúdiacej do čistiarne. Náročnejšie zaťaženie vyžaduje viac vzduchu a použitie dúchadla, ktoré spotrebúvajú značné množstvo elektrickej energie. Vzhľadom na variabilitu prichádzajúcich odpadových vôd s rôznymi koncentráciami je ťažké presne posúdiť, ako energeticky účinné je nové riešenie. Počas stabilnej prevádzky však pozorujeme výrazné zlepšenie výkonu a zvýšenú energetickú účinnosť inštalácie. Ovládanie tlmičov a vypnutie dúchadla v správnych okamihoch umožňuje jasne znížiť spotrebu elektrickej energie. Vďaka optimalizácii sme teraz schopní plne využiť možnosti systému čistenia odpadových vôd,“
hovorí Krzysztof Draszewski, zástupca vedúceho čistiarne odpadových vôd v Iławe.

Systém MACS sa v Iławie používa už niekoľko rokov. Podobne ako čistiareň v Słupsku, jej realizácia trvala približne šesť mesiacov, po čom nasledoval približne jeden rok prispôsobenia špecifickým podmienkam zariadenia. Počas ročného cyklu boli analyzované všetky sezónne javy, ktoré by sa mohli vyskytnúť v zariadení. V súčasnosti aplikované riešenie umožňuje zníženie energie približne o 12%. Zvýšená účinnosť procesu znamená aj vyššiu priepustnosť celého zariadenia a schopnosť spracovať väčšie objemy odpadových vôd.

„Namiesto štandardných PID radičov sme implementovali riešenia pomocou procesného modelu a výsledných predpovedí, t.j. algoritmov MPC (Model Predictive Control). Prevádzkové body pre tento typ regulátora sú oveľa bližšie k technologickým limitom, čo sa automaticky premieta do vyššej účinnosti procesu a zlepšenej priepustnosti zariadenia,“ vysvetľuje Robert Wlaźlak z DP System.

„Riešenia poskytované spoločnosťou Siemens zohľadňujú nielen široké možnosti riadenia založeného na modeloch, ale ponúkajú aj podporu pre umelú inteligenciu: strojové učenie (Deep Learning). To všetko umožňuje vyššiu účinnosť riadenia a poskytuje ďalšie príležitosti na optimalizáciu spotreby energie a dosiahnutie lepšieho výkonu procesu,“ zdôrazňuje Michał Urliński zo spoločnosti Siemens Polska.

Implementované riešenie umožňuje maximalizáciu množstva bioplynu získaného v chemických procesoch. Ďalšou výhodou systému MACS je skrátenie času potrebného na určité úlohy.

„V niektorých aspektoch bolo možné znížiť vstup pracovnej sily. Týka sa to okrem iného riadenia v sekundárnych čističoch, ktoré pred modernizáciou vyžadovali manuálne nastavenie brán na reguláciu hladiny kalu, zatiaľ čo teraz je tento proces plne automatizovaný,“
poznamenáva Krzysztof Draszewski.

„Systém MACS umožňuje nepretržité monitorovanie meracích zariadení. Umožňuje okrem iného posúdenie spoľahlivosti súčasných meraní. Ak systém zistí, že dané meranie je nespoľahlivé, informuje používateľa a prepne na alternatívne meranie alebo zakladá riadiaci algoritmus na historických hodnotách,“
pridáva Tomasz Požadjanek z DP System.